Videovigilância, compressão e criptografia

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Processamento de imagem para determinação de distribuições granulométricas de gotas numa suspensão

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Sistema de percepção visual para veículos autónomos aéreos

Esta dissertação aborda o problema de detecção e desvio de obstáculos "SAA- Sense And Avoid" em movimento para veículos aéreos. Em particular apresenta contribuições tendo em vista a obtenção de soluções para permitir a utilização de aeronaves não tripuladas em espaço aéreo não segregado e para aplicações civis. Estas contribuições caracterizam-se por: uma análise do problema de SAA em \UAV's - Unmmaned Aerial Vehicles\ civis; a definição do conceito e metodologia para o projecto deste tipo de sistemas; uma proposta de \ben- chmarking\ para o sistema SAA caracterizando um conjunto de "datasets\ adequados para a validação de métodos de detecção; respectiva validação experimental do processo e obtenção de "datasets"; a análise do estado da arte para a detecção de \Dim point features\ ; o projecto de uma arquitectura para uma solução de SAA incorporando a integração de compensação de \ego motion" e respectiva validação para um "dataset" recolhido. Tendo em vista a análise comparativa de diferentes métodos bem como a validação de soluções foi proposta a recolha de um conjunto de \datasets" de informação sensorial e de navegação. Para os mesmos foram definidos um conjunto de experiências e cenários experimentais. Foi projectado e implementado um setup experimental para a recolha dos \datasets" e realizadas experiências de recolha recorrendo a aeronaves tripuladas. O setup desenvolvido incorpora um sistema inercial de alta precisão, duas câmaras digitais sincronizadas (possibilitando análise de informa formação stereo) e um receptor GPS. As aeronaves alvo transportam um receptor GPS com logger incorporado permitindo a correlação espacial dos resultados de detecção. Com este sistema foram recolhidos dados referentes a cenários de aproximação com diferentes trajectórias e condições ambientais bem como incorporando movimento do dispositivo detector. O método proposto foi validado para os datasets recolhidos tendo-se verificado, numa análise preliminar, a detecção do obstáculo (avião ultraleve) em todas as frames para uma distância inferior a 3 km com taxas de sucesso na ordem dos 95% para distâncias entre os 3 e os 4 km. Os resultados apresentados permitem validar a arquitectura proposta para a solução do problema de SAA em veículos aéreos autónomos e abrem perspectivas muito promissoras para desenvolvimento futuro com forte impacto técnico-científico bem como sócio-economico. A incorporação de informa formação de \ego motion" permite fornecer um forte incremento em termos de desempenho.

Deteção e acompanhamento de movimento através de uma câmara de vídeo

A deteção e seguimento de pessoas tem uma grande variedade de aplicações em visão computacional. Embora tenha sido alvo de anos de investigação, continua a ser um tópico em aberto, e ainda hoje, um grande desafio a obtenção de uma abordagem que inclua simultaneamente exibilidade e precisão. O trabalho apresentado nesta dissertação desenvolve um caso de estudo sobre deteção e seguimento automático de faces humanas, em ambiente de sala de reuniões, concretizado num sistema flexível de baixo custo. O sistema proposto é baseado no sistema operativo GNU's Not Unix (GNU) linux, e é dividido em quatro etapas, a aquisição de vídeo, a deteção da face, o tracking e reorientação da posição da câmara. A aquisição consiste na captura de frames de vídeo das três câmaras Internet Protocol (IP) Sony SNC-RZ25P, instaladas na sala, através de uma rede Local Area Network (LAN) também ele já existente. Esta etapa fornece os frames de vídeo para processamento à detecção e tracking. A deteção usa o algoritmo proposto por Viola e Jones, para a identificação de objetos, baseando-se nas suas principais características, que permite efetuar a deteção de qualquer tipo de objeto (neste caso faces humanas) de uma forma genérica e em tempo real. As saídas da deteção, quando é identificado com sucesso uma face, são as coordenadas do posicionamento da face, no frame de vídeo. As coordenadas da face detetada são usadas pelo algoritmo de tracking, para a partir desse ponto seguir a face pelos frames de vídeo subsequentes. A etapa de tracking implementa o algoritmo Continuously Adaptive Mean-SHIFT (Camshift) que baseia o seu funcionamento na pesquisa num mapa de densidade de probabilidade, do seu valor máximo, através de iterações sucessivas. O retorno do algoritmo são as coordenadas da posição e orientação da face. Estas coordenadas permitem orientar o posicionamento da câmara de forma que a face esteja sempre o mais próximo possível do centro do campo de visão da câmara. Os resultados obtidos mostraram que o sistema de tracking proposto é capaz de reconhecer e seguir faces em movimento em sequências de frames de vídeo, mostrando adequabilidade para aplicação de monotorização em tempo real.

Workload balancing in distributed virtual reality environments

Virtual Reality (VR) has grown to become state-of-theart technology in many business- and consumer oriented E-Commerce applications. One of the major design challenges of VR environments is the placement of the rendering process. The rendering process converts the abstract description of a scene as contained in an object database to an image. This process is usually done at the client side like in VRML [1] a technology that requires the client’s computational power for smooth rendering. The vision of VR is also strongly connected to the issue of Quality of Service (QoS) as the perceived realism is subject to an interactive frame rate ranging from 10 to 30 frames-per-second (fps), real-time feedback mechanisms and realistic image quality. These requirements overwhelm traditional home computers or even high sophisticated graphical workstations over their limits. Our work therefore introduces an approach for a distributed rendering architecture that gracefully balances the workload between the client and a clusterbased server. We believe that a distributed rendering approach as described in this paper has three major benefits: It reduces the clients workload, it decreases the network traffic and it allows to re-use already rendered scenes.

QoS of IP services in a fieldbus network: on the limitations and possible improvements

This paper focuses on the problem of providing efficient scheduling mechanisms for IP packets encapsulated in the frames of a real-time fieldbus network - the PROFIBUS. The approach described consists on a dual-stack approach encompassing both the controlrelated traffic ("native" fieldbus traffic) and the IPrelated traffic. The overall goal is to maintain the hard real-time guarantees of the control-related traffic, while at the same time providing the desired quality of service (QoS) to the coexistent IP applications. We start to describe the work which have been up to now carried out in the framework of the European project RFieldbus (High Performance Wireless Fieldbus in Industrial Multimedia-Related Environments - IST-1999-11316). Then we identify its limitations and point out solutions that are now being addressed out of the framework of the above-mentioned European project.

Supporting internet protocols in master-slave fieldbus networks

In this paper we describe how to integrate Internet Protocols (IP) into a typical hierarchical master-slave fieldbus network, supporting a logical ring token passing mechanism between master stations. The integration of the TCP/IP protocols in the fieldbus protocol rises a number of issues that must be addressed properly. In this paper we particularly address the issues related to the conveyance of IP fragments in fieldbus frames (fragmentation/de-fragmentation) and on how to support the symmetry inherent to the TCP/IP protocols in fieldbus slaves, which lack communication initiative.

On the adaptation of broadcast transactions in token-passing fieldbus networks with heterogeneous transmission media

Broadcast networks that are characterised by having different physical layers (PhL) demand some kind of traffic adaptation between segments, in order to avoid traffic congestion in linking devices. In many LANs, this problem is solved by the actual linking devices, which use some kind of flow control mechanism that either tell transmitting stations to pause (the transmission) or just discard frames. In this paper, we address the case of token-passing fieldbus networks operating in a broadcast fashion and involving message transactions over heterogeneous (wired or wireless) physical layers. For the addressed case, real-time and reliability requirements demand a different solution to the traffic adaptation problem. Our approach relies on the insertion of an appropriate idle time before a station issuing a request frame. In this way, we guarantee that the linking devices’ queues do not increase in a way that the timeliness properties of the overall system turn out to be unsuitable for the targeted applications.

Evaluating the duration of message transactions in broadcast wired/wireless fieldbus networks

Determining the response time of message transactions is one of the major concerns in the design of any distributed computer-controlled system. Such response time is mainly dependent on the medium access delay, the message length and the transmission delay. While the medium access delay in fieldbus networks has been thoroughly studied in the last few years, the transmission delay has been almost ignored as it is considered that it can be neglected when compared to the length of the message itself. Nevertheless, this assumption is no longer valid when considering the case of hybrid wired/wireless fieldbus networks, where the transmission delay through a series of different mediums can be several orders of magnitude longer than the length of the message itself. In this paper, we show how to compute the duration of message transactions in hybrid wired/wireless fieldbus networks. This duration is mainly dependent on the duration of the request and response frames and on the number and type of physical mediums that the frames must cross between initiator and responder. A case study of a hybrid wired/wireless fieldbus network is also presented, where it becomes clear the interest of the proposed approach

TDBS: a time division beacon scheduling mechanism for ZigBee cluster-tree wireless sensor networks

Synchronization is a challenging and important issue for time-sensitive Wireless Sensor Networks (WSN) since it requires a mutual spatiotemporal coordination between the nodes. In that concern, the IEEE 802.15.4/ZigBee protocols embody promising technologies for WSNs, but are still ambiguous on how to efficiently build synchronized multiple-cluster networks, specifically for the case of cluster-tree topologies. In fact, the current IEEE 802.15.4/ZigBee specifications restrict the synchronization to beacon-enabled (by the generation of periodic beacon frames) star networks, while they support multi-hop networking in mesh topologies, but with no synchronization. Even though both specifications mention the possible use of cluster-tree topologies, which combine multi-hop and synchronization features, the description on how to effectively construct such a network topology is missing. This paper tackles this issue by unveiling the ambiguities regarding the use of the cluster-tree topology and proposing a synchronization mechanism based on Time Division Beacon Scheduling (TDBS) to build cluster-tree WSNs. In addition, we propose a methodology for efficiently managing duty-cycles in every cluster, ensuring the fairest use of bandwidth resources. The feasibility of the TDBS mechanism is clearly demonstrated through an experimental test-bed based on our open-source implementation of the IEEE 802.15.4/ZigBee protocols.

A time division beacon scheduling mechanism for IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree wireless sensor networks

While the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack is being considered as a promising technology for low-cost low-power Wireless Sensor Networks (WSNs), several issues in the standard specifications are still open. One of those ambiguous issues is how to build a synchronized multi-hop cluster-tree network, which is quite suitable for ensuring QoS support in WSNs. In fact, the current IEEE 802.15.4/Zigbee specifications restrict the synchronization in the beacon-enabled mode (by the generation of periodic beacon frames) to star-based networks, while it supports multi-hop networking using the peer-to-peer mesh topology, but with no synchronization. Even though both specifications mention the possible use of cluster-tree topologies, which combine multihop and synchronization features, the description on how to effectively construct such a network topology is missing. This paper tackles this problem, unveils the ambiguities regarding the use of the cluster-tree topology and proposes a synchronization mechanism based on Time Division Beacon Scheduling to construct cluster-tree WSNs. We also propose a methodology for an efficient duty cycle management in each router (cluster-head) of a cluster-tree WSN that ensures the fairest use of bandwidth resources. The feasibility of the proposal is clearly demonstrated through an experimental test bed based on our own implementation of the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol.

Collision-free beacon scheduling mechanisms for IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree wireless sensor networks

The recently standardized IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack offers great potentials for ubiquitous and pervasive computing, namely for Wireless Sensor Networks (WSNs). However, there are still some open and ambiguous issues that turn its practical use a challenging task. One of those issues is how to build a synchronized multi-hop cluster-tree network, which is quite suitable for QoS support in WSNs. In fact, the current IEEE 802.15.4/Zigbee specifications restrict the synchronization in the beacon-enabled mode (by the generation of periodic beacon frames) to star-based networks, while it supports multi-hop networking using the peer-to-peer mesh topology, but with no synchronization. Even though both specifications mention the possible use of cluster-tree topologies, which combine multi-hop and synchronization features, the description on how to effectively construct such a network topology is missing. This paper tackles this problem, unveils the ambiguities regarding the use of the cluster-tree topology and proposes two collision-free beacon frame scheduling schemes. We strongly believe that the results provided in this paper trigger a significant step towards the practical and efficient use of IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree networks.

Beacon scheduling in cluster-tree IEEE 802.15.4/ZigBee wireless sensor networks

The recently standardized IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack offers great potentials for ubiquitous and pervasive computing, namely for Wireless Sensor Networks (WSNs). However, there are still some open and ambiguous issues that turn its practical use a challenging task. One of those issues is how to build a synchronized multi-hop cluster-tree network, which is quite suitable for QoS support in WSNs. In fact, the current IEEE 802.15.4/Zigbee specifications restrict the synchronization in the beacon-enabled mode (by the generation of periodic beacon frames) to star-based networks, while it supports multi-hop networking using the peer-to-peer mesh topology, but with no synchronization. Even though both specifications mention the possible use of cluster-tree topologies, which combine multi-hop and synchronization features, the description on how to effectively construct such a network topology is missing. This report tackles this problem, unveils the ambiguities regarding the use of the cluster-tree topology and proposes two collisionfree beacon frame scheduling schemes.

Avaliação de custos e avaliação de fornecedores

O presente trabalho tem como principais objetivos caracterizar os trabalhos efetuados ao longo do estágio realizado na Tramel, empresa de serralharia civil, e efetuar um estudo de avaliação de fornecedores de alumínio. O estágio desenvolveu-se essencialmente no departamento comercial e de orçamentos e no departamento de qualidade da empresa. De forma a poder desenvolver um trabalho que reunisse informação destas duas áreas foi realizado um estudo de avaliação de fornecedores de alumínio em termos de custos e de qualidade. Assim este trabalho começa por descrever o que são as serralharias, dando especial atenção aos principais materiais utilizados na empresa e tipos de tratamento usados. Depois faz uma breve referência à evolução histórica da orçamentação, distinguindo os diferentes tipos de custos e ainda à qualidade e à importância de um sistema de gestão de qualidade numa empresa. Posteriormente são referidos os trabalhos efetuados ao longo do estágio que foram previamente definidos no plano de trabalhos. Por fim é apresentado o estudo de avaliação de fornecedores de alumínio. Foram estudados os quatro principais fornecedores de alumínio da empresa e para diversos tipos de caixilhos foi determinado o custo, distinguindo no final a percentagem necessária de perfis, acessórios, tratamento, mão de obra para fabrico, lacagem e sobras. Depois é realizada uma avaliação em termos de qualidade com base em inquéritos distribuídos aos colaboradores. Finalizado o estudo realizado são tiradas conclusões e sugeridas perspetivas futuras.

Sistema de auto calibração visual para robots do ISePorto, baseado em EKF

Os sistemas de perceção existentes nos robôs autónomos, hoje em dia, são bastante complexos. A informação dos vários sensores, existentes em diferentes partes do robôs, necessitam de estar relacionados entre si face ao referencial do robô ou do mundo. Para isso, o conhecimento da atitude (posição e rotação) entre os referenciais dos sensores e o referencial do robô é um fator critico para o desempenho do mesmo. O processo de calibração dessas posições e translações é chamado calibração dos parâmetros extrínsecos. Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um método de calibração autónomo para robôs como câmaras direcionais, como é o caso dos robôs da equipa ISePorto. A solução proposta consiste na aquisição de dados da visão, giroscópio e odometria durante uma manobra efetuada pelo robô em torno de um alvo com um padrão conhecido. Esta informação é então processada em conjunto através de um Extended Kalman Filter (EKF) onde são estimados necessários para relacionar os sensores existentes no robô em relação ao referencial do mesmo. Esta solução foi avaliada com recurso a vários testes e os resultados obtidos foram bastante similares aos obtidos pelo método manual, anteriormente utilizado, com um aumento significativo em rapidez e consistência.